TDR受剪物理模型設計

前期研究曾在寶二水庫（國立交通大學防災中心，民國 91 年）

及湖山水庫（國立交通大學防災中心，民國 94 年）的邊坡進行TDR

錯動變形監測的現地測試，所使用之感測纜線與回填灌漿方法不同，

所得到之反應亦不同，有必要進一步探討TDR反應與地層位移關係之 影響因子，並提出TDR錯動變形安裝與資料分析的準則。由過去實測 經驗及文獻回顧可綜合歸納有關TDR錯動變形量化之影響因子有：(1) 纜線電阻;(2)纜線-灌漿材-地層材料互制;(3)剪力弱帶等三項因子。前 期研究已針對上述因子進行初步探討並提出修正纜線電阻的方法，為 了解現地複雜的剪動機制及纜線-灌漿材-地層材料互制行為，本研究 設計一套可適當模擬現地纜線-灌漿材料-現地材料(Cable-grout-soil) 複合材料之物理模型:大型直剪儀，並考慮應力影響邊界與不同土壤 勁度等，試圖於實驗室模擬現地邊坡滑動時TDR反射訊號之變化，以 利TDR錯動變形監測資料之判釋。模型之主要設計概念如圖 4.46所 示。

一般的單向度剪力設備在上、下剪力盒剪動過程中會有實驗材料 外洩之情形，造成試驗結果與理論有所誤差。為解決上述問題，本試 驗儀器將裝設擋版防止實驗材料因剪動過程中外流，並於剪力盒上盒 裝設導輪，使剪力盒只有一個方向的自由度，整個大型直剪儀設計架 構與各元件示意圖如圖4.47與圖 4.48所示。

試驗資料之擷取系統主要由TDR 1502C 製波器以 RS-232 連接 筆記型電腦並配合交大撰寫的波形擷取程式將TDR 反射波形紀錄；

另外，以Load cell 及位移計(LVDT)紀錄試驗時所加載的水平剪力、

圍壓應力與剪力盒位移量。

圖4.46 模擬現地邊界條件概念示意圖(改自 Lin and Tang, 2006)

圖4.47 大型直剪儀設計架構圖

圖4.48 大型直剪儀各元件示意圖

各試驗設備之詳細規格如下所述：

1.剪力盒：為充分模擬現地纜線受剪情況，避免實驗的邊界效應

(Boundary Effect)，需考量纜線受剪時之影響長度與受剪力之影響區 域。剪力盒尺寸大小說明如下：

(a) 纜線受剪時之影響長度：Juran( 1986)提出土釘(Soil nail)埋設 於邊坡時，錨釘受剪時之影響長度為L₀(如圖 4.49)，其計算式如式(4.3) 所示。

4 E=75000 kPa(Dowding,et.al.,2004)，砂土之地盤反力係數 k_s=24430 KN/m³(Reese, 1983)，計算式如下：

由圖4.49所考慮纜線受剪之影響範圍 3 倍L0為27 cm，為求保守，本 試驗所設計之剪力盒總長度為50 cm。

(b) 受剪力之影響區域：以Boussinesq (1885)所提出圓形應力增量 概念，視應力主要影響範圍為兩倍基礎寬度。因此，剪力盒尺寸大小 將以此概念進行設計，其考慮灌漿材料受剪之影響寬度如圖4.50所 示，於剪力面上灌漿體受剪之單位寬度為B(即水泥漿-纜線複合材之 直徑)，其應力影響範圍以兩倍寬度(2B)計算，剪力盒詳細尺寸如圖 4.51所示。

圖4.50 剪力盒所考慮影響範圍示意圖

圖4.51 剪力盒詳圖

2. 剪力及圍壓應力設備：大型直剪儀所使用之傳力設備(剪力及

圍壓)為日本MASADA JACK二段式油壓千斤頂，如圖 4.54(a) 所示。最大揚程為180 mm，最大剪動力可達 10 ton，但由於 本實驗配置將油壓千斤頂採水平向裝置，預估其最大剪動力 將折減為5 ton。

3. 資料擷取設備：大型直剪儀試驗資料擷取系統主要由 TDR

1502C 製波器以 RS-232 連接埠連接筆記型電腦並配合本研 究團隊研發撰寫的波形擷取程式紀錄TDR 反射波形。另外亦 以傳統load cell 及位移計(LVDT)紀錄試驗時加載水平剪力、

圍壓應力與剪力盒位移量，各元件功能與規格詳述如下：

(a) TDR 反射儀

本研究所使用TDR反射儀為Tektronix TDR 1502C，重量 約8.96 kg，攜帶方便且具防水功能，可量測最大距離約 612

公尺(2000 英呎)，輸出阻抗為 50 歐姆(Ω)，最大解析度 (Resolution)為 0.00122 公尺(0.004 英呎)，可使用的溫度範圍 從-10℃至55℃。實體照片與操作介面說明如圖4.52所示。

圖4.52 Tektronix 1502C (a)實體照片(b)操作介面說明(摘自 Tektronix 1502C Service Manual)

(b) 筆記型電腦

利用筆記型電腦透過本研究團隊自行研發撰寫的程式 控制TDR 1502C 紀錄 TDR 反射訊號，試驗時設定適當參數 使量測空間解析度為0.4 cm。

(c) 應力計(load cell)

load cell 為美國FUTEK公司MODEL LCF450 型，實體 如圖4.54(b)，重約 1.6 kg，屬輕巧型，其可感測最大能力

(capacity)為 4534 kg (10000 lb) ,可使用溫度範圍從-50℃至93

℃。

(d) 位移計(LVDT)

一般表頭式位移尺與常見LVDT位移行程約 150 mm以 內，為配合本研究所研發大型直剪儀需求，選擇最大位移行 程為200 mm，義大利製GEFRAN-LT-M-0200-S位移計，如圖 4.54(c)所示。

(e) 顯示器

顯示器紀錄實驗過程所施加水平剪力、剪力盒位移與側 向圍壓應力，選擇高精度的AM5H-A顯示器，精確度可達±

0.1%滿刻度(full scale)，可量測交、直流電壓/電流等多種信 號，數值顯示範圍達5 位數，具自動歸零與警報功能且穩定 性高。顯示器實體如圖4.54(d)所示。

4. 傳輸纜線

市面上纜線種類繁多，導體材質、直徑大小與衰減特性皆有 所不同。本試驗以一般常見同軸纜線(Coaxial Cable)為傳輸纜線，

其構造由內至外分別為內導體、絕緣介質、外導體與最外層絕緣 保護層，同軸纜線為良好導波器(waveguide)，可將電磁波束制其 中並防止電磁波外漏。以常使用於TDR監測應用的CommScope公

司生產的P3 系列為例，同軸纜線剖面示意圖如圖 4.53所示。

圖4.53 P3 系列同軸纜線剖面示意圖(摘自 CommScope User Manual)

(a) (c)

(b) (d) 圖 4.54 (a)傳力設備-油壓千斤頂 (b) Load cell (c) 位移計

(LVDT) (d) Load cell 與位移計輸出顯示器(正、背面)

利用上述各個元件可組裝成一大型直剪儀，各個元件與配置之實 際照片說明如圖4.55。最後，將大型直剪儀固定於一台車，提供施作 試驗時儀器搬運便利性與機動性。

圖 4.55 大型直剪儀元件說明