第四章 試驗程序與設備
4.1 CRS 壓密儀
本研究所使用的CRS 壓密儀主要是本研究式自行設計與製作。有別於 過去常見的 CRS 壓密儀，交通大學 CRS 壓密儀除了具備過去 CRS 壓密儀 的特點之外，並增加了 Piston 的部分而能有效的控制壓密應力。以下針對 交通大學CRS 壓密儀與 CRS 壓密試驗程序進行更詳盡的介紹。
4.1.1 CRS 壓密儀
圖 4-1 為 CRS 壓密儀的外觀與內部示意圖。此壓密儀主要可分為上下 兩部分:儀器的上半部為提供軸向壓力控制的 Piston (Piston 內部使用無摩擦 力之Bellofram 提供軸向 Piston 阻水功能)；下半部則為壓密軸室，軸室內可 放置直徑63mm，高度 20mm 的壓密試體與厚 2mm 之硬化不銹鋼壓密環。
如圖4-1 所示，試體的兩端為透水石，且上下兩端皆可施加回水壓。此設計 可以讓試體上下排水單獨控制，並在回水壓的情況下進行壓密試驗。
另外，為了避免壓密儀器本身的變形量影響壓密試驗的結果，所以在 儀器的下半部分進行開槽並將量測位移的標的物連接至傳遞力量的軸桿底
58
部，並於標的物上架設 LVDT 進行位移量的量測。如此方可有效避免軸桿 的變形量對壓密結果造成的影響。圖4-2 為位移標的物架設於軸桿頂部與底 部時的壓密結果比較。荷重元則裝設於CRS 壓密儀上方。
軸壓加載系統
加載系統採用 WYKEHAM FARRANCE 所製之步進控制馬達。此馬達 步進速率的可變化範圍介於50mm/min~0.0005mm/min 之間，而馬達整體的 軸相抗壓可達100kN。所以具備足夠的解析度與抗壓能力進行 CRS 壓密試 驗。
氣壓與水壓控制系統
空壓機為提供試驗所需壓力之來源，壓力上限為10 kg/cm2。利用手動 式調壓閥提供試體所需之圍壓，反水壓部分亦使用手動式調壓閥施壓於除 氣水桶，利用塑膠管路，將水壓施加於試體內部；壓力表可顯示圍壓及反 水壓之大小，精度為0.2 kg/cm2。
4.1.2 CRS 壓密試驗程序
試體架設流程
等速率壓密試驗的試體架設程序主要可分為下述幾項:
(1) 先將透水石安置於 CRS 壓密儀的底座上，經由底座貫入除氣水使透水石 達到飽和。待透水石飽和之後再將濾紙以及壓密環依序擺設至透水石上。
(2) 將事先預估好的土樣依濕夯法的程序，將直徑 63mm、高度 20mm 的壓
59
密環內均勻填滿試驗土樣，待夯實完成之後再將濾紙以及透水石依序放 置於試體上方。
(3) 將壓密儀的上半部裝設於試體上方，並將壓密儀器的上下半部以六根螺 絲釘緊密結合以達到為全防水的要求。之後再將差壓計、LVDT 以及施 加水壓的高壓管線全部裝設完成。
(4) 先開啟加載用馬達並施加約 10kPa 的有效應力於試體上，再將除氣水以 重力引導的方式灌入壓密儀中，利用flush 將壓密儀內部的空氣排出，之 後再將壓力升高進入飽和的階段。在此步驟中，皆控制 Piston 內的氣壓 使試體所受的有效應力保持於 10kPa。另外在正式壓密之前，差壓計也 一直保持於連通狀態，以避免過高的壓力差對差壓計造成傷害。
(5) 待試體達飽和狀態後，即利用事先選定的壓密速率進行壓密，壓密過程 中水由試體上方排出進入刻度管內，並利用差壓計量測壓密過程中不排 水端所激發的超額孔隙水壓。考慮加載儀器的容許應力下，在垂直向的 有效應力達6MPa 即停止試驗。
(6) 量測壓密完成後的試體飽和重量以及烘乾後的重量，推估試體壓密前後 的孔隙比。
壓密速率決定
對於等速率壓密試驗而言，過高的應變速率會導致試體的超額孔隙水壓 不及消散，而使得過去的理論基礎無法正確的描速試體的壓密行為(過去的 理論均假設試體內部的孔隙水需達到穩流的狀態(steady state)，詳細理論請 見 3.2.2 小節)，但是過低的應變速率則會造成超額孔隙水壓的量測上的困 難，並造成試體的壓密係數(Cv)在計算上的誤差(Lee, 1993)。
60
所以在決定壓密的應變速率方面，根據Lee(1984)所述，β 值為決定應變 速率的主要參數:
β=γho2/Cv
不同的土壤適用於不同的β 值以決定不同的應變速率，並建議 0.1 為 β 的上 限值，當壓密過程中β 值皆小於或等於 0.1 的狀態下，壓密結果即可符合現 有的理論基礎。表4-1 為此次試驗各試體所使用的應變速率以及 β 與 Cv值。
由表4-1 可發現，所有試驗試體的 β 值皆遠小於 0.1，所以試驗結果可以使 用過去的理論進行解析。