第二章 研究背景
2.8 非擾動砂土試體取樣
現有砂土中非擾動試體取樣大約可分為三種。一種為以鑽機配合取樣 器直接採樣。第二種為將冷凍管埋設於地盤之中，藉由液態氮或冷凍液的 循環，將地層中之孔隙水凍結後再以鑽機配合各種取樣器取樣，此方法為 最常使用。第三種為以先將土樣以鑽機配合取樣器從地層中取出後，馬上 將土樣冷凍後放入冰櫃中冷藏。將試體冰凍可避免於鑽掘取樣、搬運以及 架設試驗時擾動試體。
Yoshimi et al. (1994) 曾以現地冰凍法在日本的 6 處工址成功取得乾淨 砂之非擾動冰凍試體，然後將試體送回實驗室進行動態三軸試驗。每一工
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址為取得直徑 610mm 冰凍試體，必須冰凍 800mm 直徑之土體，需要使用 液態氮（-196℃）30 小時或低溫（-30℃）氯化鈣滷水（calcium chloride brine）
12 天的冷凍時間才能夠完成取樣。此法需耗費大量液態氮或氯化鈣滷水並 且需要長時間作業，非常耗時而且不符經際效益，所以很少在實際工程案 例中被使用。
Hofmann et al. (2000)以現地冰凍取樣，選定取樣目標為地下 27 至 37 公尺處，結果使半徑 1 公尺砂土柱冰凍需消耗 90,000m3液態氮，作業時間 長達 384 小時（16 天）。本法與上述方法類似，同樣需耗費大量液態氮與長 時間作業，所以也很少被採用。
Konrad et al. (1995) 是第一位使用 Laval sampler 於常溫下將低細料含 量砂土成功取樣者，Laval sampler 是 La Rochelle et al. (1981) 原先為高靈敏 性軟弱黏土取樣而設計，可取直徑 200 mm 與長度 600 mm 之高品質非擾動 試體。除了取樣，Konrad et al. (1995) 也提出了 Laval sampler 砂土試體於常 溫下，在地表使用乾冰從試體頂部/底部緩慢冰凍的程序來保存試體，以避 免試體在運送過程中被擾動。在冰凍的過程中因溫度降低而膨脹之孔隙水 從底部/頂部排出，如此可以避免對試體產生擾動。
Høeg et al. (2000) 嘗試使用直徑 50mm SGI（Swedish Geotechnical Institute）活塞取樣器，在常溫下於天然粉土中成功的取得薄管試體。以及 使用直徑 73mm，管壁厚 1mm，管長 260mm 的薄管，在地表 2.5m 下開挖 孔內以手壓貫入的方法成功的取得粉土細砂礦渣試體。當企圖以直徑 95mm NGI（Norwegian Geotechnical Institute）活塞取樣器取樣時，都無法成功取 得薄管試體，即使在緊鄰地下水位面上的毛細負壓力土層中，仍無法取得 試體。SGI 活塞取樣器所取得的試體在貫入取樣時，於貫切器附近會有些許
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的擾動，而且試體載運回實驗室的過程中也會有部分的擾動，甚至試體擠 出的過程也會造成試體更為緊密，但這些擾動與重模試體的擾動情形相比 較，Høeg et al. (2000) 仍認為 SGI 活塞取樣器所取得的試體是非擾動的。
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表2.2 反覆阻抗比修正係數 Cr (修改自 Kramer, 1996)
Reference Equation Ko=0.4 Ko=1.0
Finn et al. (1971) Cr =(1+Ko)/2 0.7 1.00
Seed and Peacock(1971) Varies 0.55~0.72 1.0
Castro (1975) Cr = 2(1+2Ko)/3 3 0.69 1.15
Seed (1979) Cr =(1+2Ko)/3 0.6 1.00
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表2.3 細粒料含量對於抗液化強度與穩定狀態強度的影響
（蔡明道, 2001）
當FC 增加，強度減小
Chang(1990), Chameau and Sutterer (1994), Vaid(1994), Koester(1994), Singh(1994), Finn et al.(1994), Zlatovic and Ishihara(1997), Lade
and Yamamuro(1997) 等人
當FC 增加，強度增大 Chang et al.(1982), Dezfulian(1982), Amini and Qi(2000) 等人
當FC 增加，強度減至最 小後再隨FC 增加而增
加
Law and Ling(1992), Koester(1994), Thevanayagam(1998), Thevanayagam et
al.(2000), Polito et al.(2001) 等人
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表 2.4 三軸試體製作方式之比較 (黃耀道，2007)
試體製作方式 乾置法 氣落法 濕夯法 濕震法 水中沉降法 泥漿沉降法
製作時間 快 快 快 快 慢 慢
試體狀態 乾 乾 半濕 半濕 全濕 全濕
試體特性 粗細均勻 粗細不均勻 粗細均勻 粗細均勻 粗細不均勻 粗細不均勻
分層製作 需分層 可不分層 需分層 可不分層 需分層 可不分層
緊密控制方式 敲打模具 霣落高度 夯實控制 敲打模具 敲打模具 敲打模具
緊密度範圍 中 中-高 低-中-高 低-中-高 中 中
排氣的程序 需要 需要 需要 需要 不需要 不需要
試體自立方式 抽氣自立 抽氣自立 試體可自立 試體可自立 試體可自立 試體可自立
製作的技術性 簡易 簡易 簡易 普通 技術性高 技術性高
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表2.5 麥寮砂與其他砂土基本性質之比較
（Almeida et al., 1991；Fioravante et al., 1991；Borden, 1992；張嘉偉, 1997）
性質 麥寮砂 Quiou 砂 Toyoura 砂 Ticino 砂
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表2.6 不同細粒料含量下最大與最小乾單位重（張嘉偉, 1997）
細料含量
%
最大乾單位重 kN/m3
最小乾單位重 kN/m3
比重 0 15.559 12.047 2.61 6.3 16.128 12.106 2.68 15 16.608 12.822 2.69 20 16.353 12.547 2.67 22.5 16.412 12.243 2.65 30 16.480 11.968 2.70 40 16.883 11.772 2.71 50 17.001 11.517 2.71 60 15.490 9.457 --- 80 14.587 8.554 ---
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40
41
Test No.: year-number-Saturated (Dry) – Standard (Half-size) cone
**: sleeve friction reading not recorded
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表2.8 麥寮砂 CPT 的經驗常數
FC, % C0 C1 C2 C3
相關係數, ρ
<5 382 0.03 0.42 -2.02 0.94
15 238 0.21 0.43 -1.61 0.96
30 55 0.03 0.64 -1.92 0.95
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圖2.1 液化示意圖（Ishihara, 1985）
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0 50 100 150 200 250
Corrected CPT tip resistance, qC1N 0.0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Seismic Shear Stress Ratio (SSR) M=7.5
FC=35% 15% £5%
圖 2.2 不同細料含量之液化潛能臨界曲線圖 (Stark and Olson, 1995)
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0 50 100 150 200 250
q
C1N0.0
0.2 0.4 0.6
C yc li c St re ss o r R es is ta nc e R at io , C SR o r C R R
I
c= 2.1
clean sand
I
c= 2.4 I
c= 1.64
圖 2.3 乾淨砂與各種含細料砂土層Ic所界定出的CRR 關係圖 (Robertson and Wride, 1998)
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(a)串聯式 (b)並聯式
圖2.4 剪力波元件連接方式（Dyvik and Madshus，1985）
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PW-145 hp 33120A
Bender Element (Transmitter) Function Generator
Wave Signal System
Bender Element (Receiver) Soil Specimen Top Cap
Pedestal
圖 2.5 剪力波量測試驗示意圖（林靜怡，2003）
圖2.6 剪力波傳送及接收訊號結果（Ling and Greening, 2001）
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圖2.7 不同 Rd 影響因子所致試驗結果（Jovicic et al., 1996）
圖2.8 高嶺土，以方波為激發源（Jovicic et al., 1996）
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圖2.9 不同時間到達點下試體長度對剪力模數（G）的影響
（Kawaguchi et al., 2001）
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Sieve opening , mm 0
Percent finer by weight , %
MEDIUM SAND COARSE
SAND
GRA-VEL FINE SAND SILT SIZE CLAY SIZE
Sieve Analysis Hydrometer Test
圖2.10 麥寮砂之粒徑分布曲線（張嘉偉, 1997）
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粗顆粒放大 150 倍（粒徑＞0.074mm）
細顆粒放大 500 倍（粒徑＜0.074mm）
圖2.11 麥寮砂電子顯微（SEM）照片（王統立, 2000）
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0 20 40 60 80 100
FC , %
0.00 1.00 2.00 3.00
Void ratio , e
emax emin
圖2.12 麥寮砂細粒料含量與最大及最小孔隙比（emax和emin）之關係
（王統立, 2000）
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10 100 1000 10000 100000
log p' , kPa 0.40
0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
e
MLS
Dr = 30 % Dr = 50 % Dr = 70 %
Quartz sand Loose Medium
Yamamuro et al. ( 1996 )
圖2.13 單向度壓縮曲線（張嘉偉, 1997）
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55
0 5 10 15 20 25 30
Axial strain, % -200
0 200 400 600
Excess pore pressure, kPa
0 200 400 600 800
(s' v
-s' h
), kPa
FC = 0% FC = 15%
0 5 10 15 20 25 30
圖 2.15 麥寮砂 FC = 0 與 15%三軸試驗應力、應變與超額孔隙水壓之相互關 係（蔡明道, 2002）
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0 200 400 600 800
(s' v
-s' h
), kPa
FC = 30% FC = 50%
0 5 10 15 20 25 30
Axial strain, % -200
0 200 400 600
Excess pore pressure, kPa
0 5 10 15 20 25 30
圖 2.16 麥寮砂 FC=30 與 50%三軸試驗應力、應變與超額孔隙水壓之相互關 係（蔡明道, 2002）
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(s'v+2s'h)/3, kPa 0
58
10 100 1000
0.2
10 100 1000
FC = 15%
10 100 1000
(s'v+2s'h)/3, kPa
10 100 1000
(s'v+2s'h)/3, kPa FC = 50%
圖2.18 麥寮砂三軸試驗之臨界狀態（蔡明道, 2002）
59
圖2.19 可飽和試體之標定槽概念圖（Huang et al., 1991）
60
圖 2.20 錐尖前後方受力面差距之修正
（Campanella and Robertson, 1988）
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Depth of penetration, mm
0 5 10 15 20
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0 200 400 600
q
c,N= (q
c-s
o)/s'
o0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
e
Ticino (Almeida et al., 1991) Quiou (Almeida et al., 1991) MLS, FC=0%
MLS, FC=15%
MLS, FC=30%
MLS, FC=50%
Da Nang
圖 2.22 麥寮砂、Ticino、Quiou 與 Da Nang 砂孔隙比與qc,N 的關係
（Huang and Hsu, 2004）
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0 10 20 30
Measured qt, MPa 0
10 20 30
Computed q t, MPa
FC, %
<5 15 30
圖2.23 試驗數據與經驗公式之對比
64
0.5 1.0 1.5 2.0
s'
vo/p
a0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
q
t(FC=15%)/q
t(FC=0%)e = 0.78 K
1.0 0.5
圖2.24 qt與細料含量在不同垂直應力下之關係
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0 20 40 60 80 100
Fines content, % 0
1 2 3 4
Soil behaviour type index, I C
Zone 2: organic soils-peats
Zone 3: clay to silty clay
Zone 4: clayey silt to silty clay
Zone 5: silty sand to sandy silt
Zone 6: clean sand to silty sand
Zone 7: sand to gravelly sand Recommended
general correlation
圖2.25 麥寮砂之Ic與細料含量關係
66