第四章 研究結果與討論
照片 3. 2 大型直剪儀元件說明(林文欽, 2007)
3.2. 大型直剪儀改良
過去文獻TDR 室內標定試驗，往往只針對纜線進行直剪試驗，所得結 果只是纜線本身的靈敏度(sensitivity)，並非纜線與複合材料受剪動之情 形。事實上s，現地剪動機制複雜，纜線除了受剪外，還可能受拉及彎矩，
若現地存在有剪力弱帶時，更可能隨著軟弱土壤產生柔性(flexible)變形，
即剪力弱帶內為非均佈應變。本研究將先行改良前述大型直剪儀，確保試 驗具有重複性。在試驗具重複性的條件下，聚焦於剪力帶寬度，設計更符 合現地條件之TDR 錯動變形物理模型。參考林文欽(2007)材料互制的結 果，進一步探討硬、軟性纜線於剪力帶寬度下受剪時TDR 反射訊號之變化。
最後，在纜線上加入amplifier，研究其對於提早偵測地層滑動及 TDR 錯動 變形靈敏度有無助益。
3.2.1. 大型直剪儀試驗重複性改善
林文欽所設計大型直剪儀，已經成功的改善邊界效應以及上、下剪力盒 扭曲或翹曲的問題，同時也考慮了邊界效應的影響，但是可能因每次試驗 剪動過程中，可能因水泥試體及纜線還是會產生拉扯的現象，造成試驗不 具有重複性，致使無法量化變形量，因此本研究將逐一排除影響試驗重複 性的因子。
首先，於圍壓傳遞板照片3. 3(a)加入一檔板，如照片 3. 3(b)，防止水泥 試體因剪動而移動，並於檔板及裝有水平向導輪之剪力盒上設計一可以束 制纜線之螺絲，如照片3. 3(c)及照片 3. 3(d)。試驗前將纜線固定於螺絲上，
在儘量減少壓痕的條件下，進行試驗，以確保水泥試體及纜線不會因剪動 而產生位移。
(a) (c)
(b) (d) 照片3. 3 (a) 圍壓傳遞板 (b) 圍壓傳遞板及檔板 (c) 檔板及螺絲
(d) 裝有水平導輪之剪力盒及束制纜線用螺絲
3.2.2. 模擬剪力帶寬度之物理模型：剪力帶環片
過去文獻中關於剪力弱帶的模擬，往往採用空氣間距(Air gap)，不符 合現地實際情況。而實際邊坡滑動的剪動模式並不一定會像林文欽(2007) 試驗中所假設，為單純的直剪行為，可能更類似一非應力集中的模式。本 研究將考慮現地實際情況於上、下剪力盒中夾剪力帶環片模擬剪力帶寬 度，如照片3. 4(a)、(b)。
(a) (b) 照片 3. 4 (a) 剪力帶環片側視圖 (b) 剪力帶環片上視圖
綜合前述3 個小節，照片 3. 5為大型直剪儀加入剪力帶環片及改良後的 示意圖。
1
3.2.3. 試體準備
試體製作分為兩部分：一為製作水泥灌漿圓柱體包覆同軸纜線；二為水 泥灌漿圓柱體外側外填材料之準備與裝填，製作過程如下所述：
(a)試體係以內徑 5 cm PVC管為外模，將試驗用同軸纜線外部以工業酒 精擦拭後，固定於PVC管正中央，攪拌均勻水灰比 1：1 (water /cement ratio, W/C)灌入PVC模內(照片 3. 6(a))，待水泥乾凝後進行拆模，並依不同之剪 力帶寬度修剪為長度約49 cm、52cm、54cm的試體，爾後以濕毛巾裹住水 泥試體進行養護(照片3. 6(b))，從灌模至養護期共三天，灌漿材料使用市 面上常見波特蘭水泥(Portland cement)第一型，考慮現地灌漿工作性，本試 驗使用水灰比為1:1。
(a) (b) 照片3. 6 (a) 水泥-纜線複合材料製作過程 (b) 水泥養護過程
(b)外填材料分別為細礫石(Fine Gravel)、渥太華砂(Ottawa sand)，其基 本物理性質與粒徑分析如表3. 5與圖 3. 8所示，其中粗砂有 77.6 %累積停留 於4 號篩，依AASHTO對粒徑大小分類屬細礫石(Fine Gravel)。試驗時將養 護完成水泥灌漿圓柱(含同軸纜線)置於剪力盒及剪力帶環片中間，控制每 次外填材料密度約略一致。外填材料約分三層夯實，夯實完畢後再以上蓋
鎖緊，再利用側向千斤頂施加所規劃圍壓應力。
表3. 5 外填材料基本物理性質
土壤種類 渥太華砂 (Ottawa sand) 細礫(Fine Gravel)
內摩擦角
(degree) 30.7 42.68
乾單位重
U. S. Standard Sieves Hydrometer
Gravel Coarse
Sand Medium Sand Fine Sand Silt Size Clay Size
圖3. 8 土壤種類粒徑分佈曲線
3.2.4. 試驗流程
如前所述，本研究自行研發一可適當模擬現地因滑動而造成纜線斷面 幾何改變之大型直剪儀及剪力帶環片，其中大型直剪儀方面，材料互制行 為所引致TDR 反射訊號(ρ)與剪力盒相對位移(δ)之間的關係已於林文欽 (2007)論文中獲得相當成果，而本研究著重於大型直剪儀中加入剪力帶環 片，解決TDR 錯動變形監測於軟弱土層中，以利進一步量化分析的依據。
茲將大型直剪儀加入剪力帶環片試驗流程表示如下圖3. 9，並敘述如 下：
1. 剪力盒及剪力帶環片裝填：如前所述，將養護好的水泥-纜線圓柱置入 剪力盒與剪力帶環片中央，於不同剪力帶寬度時，以相同土壤密度將外 填材料分次夯實；另外將上、下盒與剪力帶環片接觸處塗抹黃油，以減 少擋版、剪力盒、剪力帶環片相互之間的摩擦力。
2. 擷取器與顯示器架設：將已經固定在適當位置的位移計與量測剪力、圍 壓應力之Load cell 連接顯示器，並將量測值歸零。
3. 圍壓應力：待剪力盒裝填試體重模完成，以側向千斤頂施以一固定應力 並予以記錄。
4. TDR 初始波形量測：連接纜線與 TDR 1502C，利用本研究團隊自行研 發之擷取程式記錄TDR 初始反射訊號。
5. 施加剪力：利用千斤頂以每次約 1 mm 位移量剪動，每剪動一次即記錄 位移量、剪動力與TDR 反射訊號。從目前累積的試驗經驗，當剪動位 移至70mm 左右，剪力盒及剪力帶環片皆已相當靠近試體，可能有邊界 效應的產生，因此重複至剪力盒相對位移達70 mm，即停止試驗。
6. 拆模：完成一剪動試驗後，拆解剪力盒以了解盒內水泥圓柱與纜線受剪 時變形模式。
剪力盒及剪力帶環片架設
擷取器與顯示器架設
施加圍壓應力
TDR 初始波形量測
施加剪應力
拆模
圖3. 9 試驗流程圖
3.2.5. 試驗規劃
於林文欽(2007)的大型直剪試驗，存在有在相同配置下，每次試驗的 結果不同之問題，本研究主要將先針對此做一更符合現地的改變，以達到 在符合現地的前提下，試驗重複性能一致。另外於軟弱帶中，過去文獻採 用空氣間距(Air gap)來模擬，與現地狀況明顯差異過大，為此設計能充分 模擬現地剪力弱帶的剪力帶環片，期能了解剪力弱帶對TDR 錯動變形之影 響。
茲將試驗規劃整理如表3. 6，並詳細說明如下。
表3. 6 試驗規劃
模擬剪應變梯度 Ottawa sand Ottawa sand
(a) 大型直剪儀-試驗重複性
望能藉此改善錯動變形監測的靈敏度及初始啟動門檻值(δD)。
有鑒於林文欽推薦於軟弱地層安裝TDR錯動變形監測系統選擇RG-8 纜線，
其試驗獲得的纜線靈敏度(S)及初始門檻值(δD)與本研究試驗所得結果差異過 大，將於下章詳細說明，因此，本研究將於RG-8 纜線上置入球形節點，並在球 內灌入AB膠，球的直徑為 2 公分，球與球間距也為 2 公分，詳細纜線配置如照 片3. 7(a)；以及於RG-8、P3-500 纜線置入圓柱狀節點，內部也是灌入AB膠，
圓柱長7 公分，，間距約 4 公分，配置如照片 3. 7(b) (以RG-8 為例)，測試結 果是否如預期能改善靈敏度及啟動門檻值，並互相比較，結果將於下一章探討。
(a) (b)
照片 3. 7 RG-8 纜線加入 (a) 球形節點 (b) 圓柱形節點
第四章 研究結果與討論
本研究主要分為三個部份來說明，第一、大型直剪儀試驗重複性改良：
有鑑於重複性會影響試驗的品質及後續的量化處理，先行探討林文欽(2007) 試驗的可靠性，再進行後續的試驗；第二、模擬於軟弱土壤中，剪動方式 為一非應力集中的行為；第三、在纜線上加入節點，評估是否有助於增強 TDR 反射訊號。最後綜合以上結果，改善林文欽(2007)於現場所建議的安 裝標準程序，使其更完整。
4.1. 錯動變形試驗影響因子探討
為了充分模擬更加符合現地軟弱土層的剪動行為，以及量化變形量，
規劃了一系列錯動變形試驗，試驗配置與規劃已於3.2.5 節詳述，主要目的 為能於各種地層中量化變形量，並藉由試驗結果探討不同試驗配置條件 下，外部位移量(δ)與TDR反射係數(ρ)之關係，以利後續量化分析工作。
隨試驗過程記錄TDR反射訊號、剪力盒相對位移量、圍壓應力及剪應力，
不同試驗條件下的剪應力∕正向應力-位移曲線分兩種纜線整理如圖 4. 1及 圖4. 2，從目前試驗累積的經驗觀察發現，當剪力盒剪動到約 70mm左右，
剪力盒剪動面會越來越靠近水泥試體，導致水泥試體被剪力盒直接壓迫，
因此，剪動70mm以後的試驗數據不足以採信，後續試驗曲線皆只繪至 70mm。
0 10 20 30 40 50 60 70
Shearbox Displacement δ, mm
Shear stress τ, kN/m2
τ v.s. δ
Shearbox Displacement δ, mm
Shear stressτ, kN/m2
τ v.s. δ
茲將室內錯動變形試驗結果分為試驗重複性、剪力帶寬度對於TDR 反 應之探討與提高TDR 訊號靈敏度之成效等三個影響因子，依序在後續小結 討論。
4.1.1. 大型直剪儀改善：試驗重複性
試驗若沒有重複性，則將很難有可靠的數據進行量化變形量，因此首 先針對林文欽(2007)室內大型物理模型進行改良，逐步釐清造成試驗重複 性不佳的原因。
參考先前林文欽研究建議，軟性(RG-8 型)纜線適用於較軟弱地層，試 驗外填材料採用渥太華砂；而剝皮硬性(P3-500 型)纜線適用於較堅硬地層，
試驗外填材料則使用細礫石，控制灌漿配比(W/C = 1：1)，並於每次試驗 施以固定之圍壓應力(285.21 kN/m2)以確保每次邊界條件為相近，探討纜線 於固定配置靈敏度(sensitivity, S)及初始啟動門檻值(trigger threshold value, δD)之結果。試驗結果將分為外填材料-灌漿-纜線複合勁度、TDR 反射波形 與各纜線之靈敏度(S)與初始啟動門檻值(δD)、回歸啟動門檻值(δ0)四個 部份。
(1) 外填材料-灌漿-纜線複合勁度：
固定條件下，不同纜線之剪應力-位移曲線如圖 4. 3，對應整體複合材 料剪力勁度(shear stiffness, kgs)整理於表4. 1，其中纜線種類後面有括號fix 的是表示有束制水泥試體及纜線，沒有括號的為林文欽(2007)先前試驗所 得，各纜線所對應的線性段斜率差異不大(RG-8 型=37~51、P3-500 型
=94~117)，可證明每次試驗條件配置近乎相同。
0 10 20 30 40 50 60 70 0
100 200 300 400 500 600 700 800
Shearbox Displacement δ, mm
Shear stress τ, kN/m2
τ v.s. δ
P3-500 + W/C=1 + Fine Gravel + σv=285.21 kN/m2 P3-500(fix) + W/C=1 + Fine Gravel + σv=285.21 kN/m2 P3-500(fix) + W/C=1 + Fine Gravel + σv=285.21 kN/m2 RG-8 + W/C=1 + Ottawa sand + σv=285.21 kN/m2 RG-8(fix) + W/C=1 + Ottawa sand + σv=285.21 kN/m2 RG-8(fix) + W/C=1 + Ottawa sand + σ
v=285.21 kN/m2
圖4. 3 固定纜線，相同配置下之剪應力-水平位移曲線
(2) TDR 反射波形：
圖4. 4為各纜線反射係數，相同條件下，模擬現地狀況加入束制的機制(束 制水泥試體及纜線)，強迫纜線被拉緊，軟性RG-8 纜線因原本勁度較小，
圖4. 4為各纜線反射係數，相同條件下，模擬現地狀況加入束制的機制(束 制水泥試體及纜線)，強迫纜線被拉緊，軟性RG-8 纜線因原本勁度較小，