1.4 麥寮砂之室內試驗研究
1.4.2 麥寮砂之力學行為
重模砂土試體準備的方法可以明顯的影響試體之組構、應力-應變行 為以及動/靜態強度 (Ishihara, 1993 ; Yamamuro and Wood, 2004)。Ishihara (1993) 指出使用濕夯（Moist Tamping，MT）法所製作砂土試體緊密度之 範圍最廣，而水中沈降法 (Water Sedimentation，WS) 範圍最小。Been et al. (1991) 及 Ishihara (1993) 認為試體準備方法應該不會對砂土臨界曲線 之特性有明顯之影響。Ishihara (1993)，Vaid et al. (1999) 以及 Høeg et al.
(2000) 都指出 MT 不能夠製造出均勻而具有天然河流沈積性砂土應力應 變行為之試體。然而針對台灣中西部砂土之試驗結果並非如此，其詳細 內容說明如下。
使用FC＝0、15、30 及 50%之麥寮砂進行一系列之等向壓密與單向 三軸壓縮試驗來檢驗各種準備方法所得試體之品質，比較濕夯法(Moist Tamping, MT) 、 水 中 沉 降 法 (Water Sedimentation, WS) 與 乾 置 法 (Dry Deposition，DD) 三種方法所得試體之均勻性與對動態三軸試驗結果之影 響。首先將烘乾搗碎之麥寮砂以#200 篩過濾，將粗、細料分離，然後再 依所需FC 將粗、細料混合均勻。MT 三軸試體（50mm 直徑，100mm 高）
分5 層，在 8%含水量下放入橡皮膜內輕夯至所需緊密度；DD 試體製作 是將混合均勻之砂土使用漏斗以極低的落差灑入橡皮膜內；WS 試體製作
方法與 DD 類似，但砂土是穿過一層除氣水灑入試體。製作完成試體然 後排氣 (flush)，施加反水壓並飽和，飽和完成後施加 100kPa 之有效圍 壓，然後解壓將試體從三軸室中取出，橫向切割成五等分，以 1 至 5 從 上而下編號。每一切片均做含水量試驗並以水篩法決定其細料含量，表 1-8 顯示各切片層細料含量(FC)與含水量(w)之變化與高程無明顯之關 係，顯示三種製作方法所得試體都無細料分離的現象。在 FC = 30%的情 況下，WS 方法所得試體其均勻性最低，而 DD 製作之試體均勻性最高，
但無論如何所有試體含水量之變異係數 (Coefficient of Variation) 都在 5%以內，低於含水量之量測誤差範圍。
因為 MT 法之實用性以及可以製作較大範圍 e 值之試體，並考慮使 用MT 法製作之麥寮砂試體並沒有明顯如 Ishihara (1993)，Vaid et al. (1999) 以及 Høeg et al. (2000) 所述之缺點，所以麥寮砂的室內試驗所引用之動/
靜態三軸試驗大都使用 MT 法製作。MT 試體可以自立，所以無須在試體 架設時使用真空泵浦，試體飽和前先以 CO2通氣，然後使用除氣水從試 體底部流入而對透水石與試體排氣，使用 300 kPa 反水壓飽和試體，所有 三軸試體之 B 值都在 0.95 以上。麥寮砂壓縮性非常高，在試體飽和與施 加圍壓後其 e 值改變極明顯，因此在壓密試體過程中記錄孔隙水之進出 量。在壓密或壓密不排水三軸試驗完成後使用整個試體做含水量試驗來 決定最終 e 值，再根據孔隙水進出量之紀錄來回算各壓密階段之 e 值。
表 1-8 試體內含水量與細料含量分布（郭毓真, 2004）
MT 目標
FC Dro e FC/ w 第一層 第二層 第三層 第四層 第五層 平均 標準差 0 70 0.82 FC 3.90 4.25 2.39 3.99 1.63 3.23 1.15
w 30.56 30.49 30.09 30.84 30.97 30.59 0.34 15 50 0.82 FC 17.54 16.04 15.95 16.67 17.10 16.66 0.68 w 30.59 30.51 30.46 30.63 30.65 30.57 0.08 30 65 0.77 FC 30.07 31.45 31.67 30.11 29.44 30.55 0.96 w 28.56 28.49 29.87 27.38 28.93 28.65 0.90 50 50 0.71 FC 51.46 51.15 50.79 50.85 51.31 51.11 0.29 w 26.82 26.56 26.12 26.13 26.79 26.48 0.34
WS
30 65 0.76 FC 31.63 26.38 27.94 28.47 28.53 28.59 1.91 w 26.24 28.43 27.39 30.00 28.82 28.18 1.43
DD
30 65 0.69 FC 28.68 27.47 29.28 27.97 28.00 28.28 0.71 w 25.46 26.30 25.76 25.73 24.71 25.59 0.58
2.麥寮砂之壓縮性
砂土，尤其是石英砂，在靜載重作用下，其壓縮性相對於黏土而言 通常是很低，而石英砂壓縮行為的發生，主要導因於砂土顆粒的破碎。
圖 1-13 顯示細料含量 15%麥寮砂單向壓密試驗結果所得孔隙比（e）與有 效垂直壓力（σv'）之關係以及其與石英砂試驗結果 (Yamamuro et al., 1996) 之比較。麥寮砂壓密試體是使用乾置法製作，根據圖 1-13，垂直壓力在 500 與 5000 kPa 之間時，疏鬆(Dr=30%)麥寮砂之壓縮量約為石英砂之 5 倍；中等緊密(Dr=50%) 麥寮砂之壓縮量則為石英砂的 13 倍。因此，相 較於一般砂土，尤其對石英砂而言，麥寮砂具有高度之壓縮性。
此外也針對麥寮砂進行一系列之等向壓密試驗，所有試體使用 MT 法製作。圖 1-14 顯示麥寮砂在FC = 0、15、30 與 50%（初始相對密度（Dro） 30%至 70%之間）在反水壓下所做三軸等向壓密試驗所得之 e 與有效平均 圍壓(
(
σv′ +2σh′)
3)間之關係曲線，圖中也標示emin 與 emax。一般而言麥 寮砂之壓縮性隨細料含量之增加而增加，但卻隨緊密度之增加而減小。當 FC 到達 50%時，試體之除氣飽和程序即足以將試體壓密，以致於不同
Dro所得壓密曲線幾乎是一樣的。在許多情況下壓密後之e 值已低於emin。 因為其高壓縮性，室內試驗所使用麥寮砂試體之孔隙比必須使用其壓密 後之數值才有意義。
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1-13 單向度壓縮曲線（e-logσv' curves）（張嘉偉, 1997）
1 10 100 1000
3.麥寮砂之強度與剪脹性
圖1-15 展示一系列麥寮砂等向壓密不排水軸向壓縮三軸試驗結果，
包括應力、應變、超額孔隙水壓與有效應力路徑，全部試體採用前述MT 方法製作，FC = 0, 15, 30 與 50%，試體之緊密度從鬆至緊，軸向壓縮應 變量達20%以上使得試體受剪儘量趨近於臨界狀態（critical state）(Been et al., 1991)，每一試驗所認定之臨界狀態點使用一符號加註。圖 1-15 所示
（intergranular friction angle）應是類似的。圖 1-16 是根據三軸試驗所得 臨界狀態點連接而成之臨界狀態曲線（孔隙比與有效平均圍壓之關係，
e-p’），麥寮砂之臨界狀態曲線隨 p’緩慢下曲而無明顯折點。當 FC = 50%
時其臨界狀態下 e-p’之關係已無法使用一曲線來表示或建立一臨界狀態 曲線，表示此時麥寮砂之剪脹性已不只受有效圍壓與孔隙比之控制。
0 5 10 15 20 25 30
Axial strain, % -200
0 200 400 600
Excess pore pressure, kPa
0 200 400 600 800
(σ' v -σ' h
), kPa
FC = 0% FC = 15%
0 5 10 15 20 25 30
圖 1-15(a) 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）
0 200 400 600 800
(σ' v -σ' 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1-15(b) 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）
0
10 100 1000
10 100 1000
FC = 15%
10 100 1000
(σ'v+2σ'h)/3, kPa
10 100 1000
(σ'v+2σ'h)/3, kPa FC = 50%
圖1-16 麥寮砂三軸試驗之臨界狀態（蔡明道, 2002）
4.麥寮砂之動態強度
麥寮砂之反覆阻抗比 CRR 是由氣壓式應力控制之動態三軸試驗所決 定。首先對飽和之 MT 重模試體在有效圍壓σc′下壓密，然後施加頻率0.1 Hz 之反覆軸差應力σ 。CRR 之定義是以 20 次反覆受載(d Nc)而正負極端 軸向應變達 5%所對應之σd 2σc′。因為簡易法液化潛能分析中都將試驗結 果以 100kPa 之覆土壓力作正常化，所以動態三軸試驗都是在σc′ =100kPa 情況下進行以便於後續分析之用。FC 限於 0、15 與 30% 。圖 1-17 展示 這些動態三軸試驗所得σd 2σc′ 與Nc之關係。為了比較細料含量對 CRR 之影響，嘗試儘量在相同之 e 值下改變細料含量來進行動態三軸試驗。
但受麥寮砂隨細料含量而明顯增加之壓縮性，最後以 e = 0.80 (FC = 30%
能夠達到之最大 e 值)以及 e = 0.73 (FC = 0%能夠達到之最小 e 值)來進行 試驗。根據圖 1-17，在此兩個 e 值下，CRR 都隨 FC 之增高而下降。因 此，推論當 e 在 0.73 與 0.80 之間時，仍然會有類似之現象。
如果將圖 1-17 中所展示之 CRR 與每一試體之狀態參數（state parameter）對應，其結果將如圖 1-18 所示。圖中直線與數據間之關係係 數（coefficient of correlation）為 0.81。根據此一關係可用狀態參數來對 麥寮砂在 FC = 0 至 30%間之 CRR 做初步估算，此關係有理論之根據，因 為狀態參數與砂土之剪脹性有關。 狀態參數為土壤初始狀態孔隙比與臨 界狀態孔隙比之差值，負值表示土壤具有剪脹性，正值表示具有壓縮性。
針對試體準備方法對麥寮砂動態行為之影響，選取 FC = 30% 之麥 寮砂進行動態三軸試驗與試體剪力波速量測（方法如1.4.3 單元所述）。
除原有MT 試體之外，增加以 WS 與 DD 法，製作e = 0.73 之試體然後進 行試驗。結果如圖 1-19 所示，以 MT 法製作試體之動態強度最高，DD 法所得試體之動態強度最低。此一結果與Vaid et al. (1999) 以及 Høeg et al. (2000) 認為 MT 試體強度最低之結論並不吻合。此外Vs之量測結果也 以MT 試體最高而 DD 試體最低。
1 10 100 1000
-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 State parameter, ψ
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
σd/ 2σ c'
σ'
c, kPa FC, % 100 0 100 15 100 30
圖 1-18 σd 2σc′ 與狀態參數之關係（黃安斌等, 2005）
1 10 100 1000 NC
0.1 0.2 0.3
σ d/2σ c'
Sample e
cV
S, m/s MT 0.73 150
WS 0.73 135 DD 0.73 125
圖1-19 試體準備方法對σd 2σc′ 之影響（郭毓真, 2004）