PID 軸向應變控制系統

利用二組非接觸式位移計（Bently Nevada 3300XL NSv 8mm Proximity Transducer，system sensitivity = 200 mv/mil）與電子式調壓閥(electrical pressure transducer, EP)組成 PID 控制系統。

在壓密過程中，非接觸式位移計量測位移計與橫向標的物間相對位 移，作平均得到試體之橫向應變，此時的應變量即為PID 系統內的目標值。

電子式調壓閥依此目標值進行圍壓的調整以確保在壓密過程中試體之橫向 應變量小於正負0.001％（Okochi and Tatsuoka, 1984）。圖4-4 為壓密過程試 體的側向應變狀態，可清楚看出應變量皆小於 0.001%，所以可視為 K_o 狀 態。壓密過程中並紀錄K_o（=

σ

σ

另外，除了確保試體在壓密過程中的側向應變值小於 0.001%之外，也 根據試體在垂直向的變形量計算試體的體積變化(ΔV_axial)，並將此體積變化 量與實際的排水量(ΔV_volume)做比較後發現，對於絕大部分的試驗而言計算 的體積變化與實際排水量幾乎相同，所以可以再次確認試體在壓密過程中 的確保持Ko狀態。所以試驗的壓密排水量比較結果皆收錄於附錄A。

4.2.3 剪力波速量測

本系列試驗所使用自行組裝之剪力波元件（Bender Element）進行剪力 波速量測，可量測之試體高度為14 公分，可對乾砂及飽和砂土進行試驗，

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圖4-5 為剪力波量測系統之示意圖。以下就剪力波元件的規格、激發頻率的 選擇與波傳時間的判定進行介紹。

剪力波元件

(1)壓電陶瓷晶片（Piezoelectric Ceramics）

剪力波元件使用壓電陶瓷晶片製作；尺寸大小為 14.5×12×1mm，極化 電壓為10V，尺寸如圖 4-6 所示，將 Bender Element 嵌入三軸室試體上下 頂蓋中，並使用熱固環氧樹脂（熱固膠）固定於三軸室上下頂蓋中，透水 石部分則以矽膠填塞，總凸出約1/4 元件長（約 3mm），試體上下蓋設計示 意圖如圖4-7、圖 4-8 所示，完成後之試驗設備如圖 4-9 。

壓電特性是指當材料受到一機械外力作用時，會產生相對於機械力大 小之電壓；同樣地，當材料受到電壓作用時，會產生相對於此電壓大小的 形狀改變。壓電陶瓷晶片可分為串聯（Series connected）與並聯（Parallel connected）兩種連接方式，串聯時機械能轉換為電能之功率是並聯的兩倍，

反之，並聯時電能轉換為機械能的功率是串聯的兩倍，故利用壓電陶瓷晶 片剪力波元件量測剪力波速時，以並聯型式作為激發端，並以函數產生器

（Function Generator）調制激發波形，以串聯型式作為接收端，並以示波器 或是其他設備擷取波形，可達到傳送及接收訊號的良好效果。

(2)函數產生器（Function Generator）

主要功能在於產生單一週期正弦波，函數產生器輸出電壓予上蓋剪力 波元件後將電能轉換為動能，透過土體傳遞剪力波。本試驗所使用之函數 產生器是由惠普公司出產，型號為 HP33120A，函數產生器可輸出五種波 形：正弦波、方波、三角波、斜波及 Random wave，可由預先定義之五種

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波型中任選一種使用，或自行撰寫程式設定波形，可輸出單一週期波型或 輸出連續波；輸出頻率範圍為10μHz~15MHz；輸出之振幅範圍視目前所選 用之波形函數和輸出端而定，本試驗使用正弦波輸出端為 50Ω，輸出最大 振幅為50mVpp~10Vpp。

(3)訊號擷取系統

當上蓋觸發一正弦波後，便採用示波器或電腦接收訊號，並記錄之，

並在電腦上判斷剪力波到達時間；訊號接收系統應至少具有一個接收通道

（channel）及一個觸發同步信號通道（目的在觸發時間原點），若使用示波 器可透過 RS232 或 HPIB 介面將訊號輸出或直接將結果列印，而本試驗利 用電腦配合訊號處理卡及信號輸入盒（功能類似於一般訊號量測之terminal board）接收試體底座剪力波元件所激發之電壓波形，並且利用軟體同時進 行訊號平均運算等功能，最大接收訊號頻率為 25kHz，訊號接收軟體如圖 4-10 所示。

激發頻率

Dyvik and Madshus (1985)指出，剪力波激發頻率的改變會影響接收波 形之振幅大小，當剪力波元件激發頻率與土壤達到共振時，接收波形會產 生最大振幅，此時的激發頻率可視為最佳激發頻率，但因為試驗土樣、試 體條件狀況不同，故試驗時必須不斷的調整激發頻率，以得到土壤試體之 最佳激發頻率。Dyvik and Madshus（1985）建議剪力波元件之發射波宜使 用5~100Hz 之方波，而 Viggiani and Atkinson（1995）建議若使用正弦波時，

頻率應介於1kHz~10kHz 之間，均可避開鄰域效應。

且根據黃耀道（2007）對剪力波進行測試，本研究所使用之剪力波元

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件在6kHz 時與土壤會有最大之振幅。因此本研使用 6kHz 單一週期正弦波 作為激發波形。